Inhalt Teil I Grundlagen und Methoden 1 Grundlagen der Transportprozesse... 3 1.1 Molekulare Transportvorgänge... 3 1.1.1 Molekularer Impulstransport... 5 1.1.2 Molekularer Energietransport... 7 1.1.3 Molekularer Stofftransport... 8 1.2 Konvektive Transportvorgänge... 12 1.2.1 Konvektiver Impulstransport... 12 1.2.2 Konvektiver Energietransport... 13 1.2.3 Konvektiver Stofftransport... 14 1.3 Konvektiver Energie- und Stoffübergang... 14 1.4 Turbulente Transportvorgänge... 18 1.5 Umwandlungsvorgänge... 20 1.5.1 Stoffumwandlung... 20 1.5.2 Energieumwandlung... 24 1.5.3 Impulsänderung... 25 1.6 Bilanzgleichungen... 25 1.6.1 Differenzielle Bilanzgleichungen... 26 1.6.2 Integrale Bilanzgleichungen... 32 1.7 Molekulare Transportkoeffizienten und Stoffgrößen... 37 1.7.1 Viskosität... 38 1.7.2 Wärmeleitfähigkeit... 44 1.7.3 Diffusionskoeffizienten... 45 1.8 Verständnisfragen... 48 1.9 Aufgaben... 48 Literatur... 52 2 Diffusion in ruhenden Medien... 55 2.1 Stationäre Diffusion... 55 2.1.1 Diffusion ohne chemische Reaktion in einer ebenen Schicht... 56 IX
X Inhalt 2.1.2 Diffusion mit homogener chemischer Reaktion... 57 2.1.3 Diffusion mit heterogener chemischer Reaktion... 63 2.2 Instationäre Diffusion... 65 2.2.1 Instationäre Diffusion ohne chemische Reaktion in einer Platte... 65 2.2.2 Instationäre Diffusion in einer Kugel... 70 2.3 Verständnisfragen... 73 2.4 Aufgaben... 73 Literatur... 77 3 Stoffaustausch zwischen zwei fluiden Phasen... 79 3.1 Stoffübergangstheorien... 80 3.1.1 Filmtheorie... 80 3.1.2 Grenzschichttheorie... 83 3.1.3 Penetrations- und Oberflächenerneuerungstheorie... 86 3.1.4 Turbulenztheorie... 88 3.2 Stoffdurchgang... 90 3.3 Stoffaustausch mit homogener chemischer Reaktion... 94 3.3.1 Penetrationstheorie... 94 3.3.2 Filmtheorie... 98 3.3.3 Generelle Auswirkungen einer homogenen Reaktion erster Ordnung auf den Stofftransport... 100 3.4 Verständnisfragen... 101 3.5 Aufgaben... 101 Literatur... 104 4 Beschreibung von Ausgleichsvorgängen in technischen Systemen... 107 4.1 Idealisierte Modellapparate... 107 4.1.1 Idealer Rührkessel... 108 4.1.2 Ideales Strömungsrohr... 110 4.2 Reale Apparate... 110 4.2.1 Mischvorgänge... 110 4.2.2 Kontinuierlich betriebene reale Apparate... 114 4.3 Verweilzeitverteilung... 117 4.3.1 Experimentelle Bestimmung einer Verweilzeitverteilung... 120 4.3.2 Verweilzeitverteilung idealer Apparate... 121 4.4 Verständnisfragen... 127 4.5 Aufgaben... 127 Literatur... 130 5 Strömungen in Rohren... 131 5.1 Impulstransport... 131 5.1.1 Laminare Rohrströmung... 131 5.1.2 Turbulente Rohrströmung... 133 5.1.3 Strömungswiderstand in Rohren... 139 5.1.4 Strömungen durch Rohrleitungssysteme... 143
Inhalt XI 5.2 Stoffübergang... 146 5.2.1 Laminare Strömung... 146 5.2.2 Turbulente Rohrströmung... 151 5.3 Stoffübergang mit heterogener chemischer Reaktion... 152 5.4 Strömungen nicht-newtonscher Flüssigkeiten... 154 5.4.1 Geschwindigkeitsprofile... 154 5.4.2 Widerstandsgesetz... 156 5.5 Dispersion in Rohrströmungen... 158 5.6 Verständnisfragen... 160 5.7 Aufgaben... 160 Literatur... 164 6 Strömungen an ebenen Platten... 165 6.1 Impulstransport... 165 6.1.1 Laminare Grenzschicht... 167 6.1.2 Turbulente Grenzschicht... 171 6.1.3 Widerstandsgesetz... 172 6.2 Stoffübergang... 173 6.2.1 Laminare Strömung... 173 6.2.2 Turbulente Strömung... 179 6.3 Fluiddynamik und Stofftransport bei hohem Partialdruck... 180 6.3.1 Physikalische Problematik... 180 6.3.2 Geschwindigkeitsprofil... 182 6.3.3 Konzentrationsprofil... 183 6.3.4 Reibungsbeiwert... 185 6.3.5 Mittlere Sherwoodzahl... 186 6.4 Stoffübergang mit heterogener chemischer Reaktion... 187 6.5 Verständnisfragen... 191 6.6 Aufgaben... 192 Literatur... 194 7 Disperse Systeme... 195 7.1 Stationäre Partikelbewegung... 196 7.1.1 Feste Einzelpartikel... 196 7.1.2 Fluide Partikeln... 204 7.2 Instationäre Partikelbewegung... 211 7.3 Bewegung von Partikelschwärmen... 213 7.3.1 Feste Partikeln... 213 7.3.2 Fluide Partikeln... 217 7.4 Stationärer Stoffübergang... 218 7.4.1 Feste Einzelkörper... 219 7.4.2 Fluide Partikeln... 225 7.5 Instationärer Stofftransport bei festen und fluiden Partikeln... 231 7.5.1 Mathematische Grundlagen und Definitionen... 231 7.5.2 Diffusiver Transport in einer Kugel... 235
XII Inhalt 7.5.3 Stoffübergang bei schleichender Umströmung... 235 7.5.4 Spezielle Lösung für sehr kurze Zeiten... 236 7.5.5 Berechnung der übergehenden Masse für sehr lange Zeiten... 237 7.5.6 Ergebnisse der numerischen Lösung... 237 7.6 Verständnisfragen... 239 7.7 Aufgaben... 241 Literatur... 245 8 Einphasig durchströmte Feststoffschüttungen... 247 8.1 Kennzeichnende Größen einer Feststoffschüttung... 248 8.1.1 Feststoffpartikeln... 248 8.1.2 Lückengrad... 250 8.1.3 Hydraulischer Durchmesser... 252 8.1.4 Geschwindigkeitsverteilung innerhalb einer Feststoffschüttung... 254 8.2 Druckverlust... 255 8.3 Wärme- und Stoffübergang... 258 8.3.1 Wärmeübergang in Analogie zur Einzelkugel... 259 8.3.2 Stoffübergang in Analogie zum durchströmten Rohr... 261 8.4 Modellierung von Austauschvorgängen in Festbetten... 263 8.4.1 Berechnung des Konzentrationsverlaufs... 263 8.4.2 Dispersionskoeffizienten in Feststoffschüttungen... 268 8.5 Verständnisfragen... 270 8.6 Aufgaben... 271 Literatur... 273 Teil II Mehrphasensysteme und apparative Anwendungen 9 Filtration und druckgetriebene Membranverfahren... 277 9.1 Einteilung der Trennverfahren... 277 9.2 Prozessführung... 279 9.2.1 Kuchenfiltration... 279 9.2.2 Querstromfiltration... 280 9.2.3 Tiefenfiltration... 281 9.3 Kennzeichnung des Trennerfolgs... 283 9.4 Filtration... 286 9.4.1 Grundlegende Theorie der Filtration... 286 9.4.2 Kuchenfiltration von Suspensionen... 288 9.4.3 Staubabscheidung durch Filtration... 296 9.5 Druckgetriebene Membranverfahren... 299 9.5.1 Definitionen... 300 9.5.2 Grundlegende Theorie zu Membranverfahren... 302 9.5.3 Mikro- und Ultrafiltration... 306 9.5.4 Nanofiltration... 307
Inhalt XIII 9.5.5 Umkehrosmose... 308 9.5.6 Apparative Umsetzung der Membranfiltration... 310 9.6 Verständnisfragen... 310 9.7 Aufgaben... 313 Literatur... 316 10 Trocknung fester Stoffe... 319 10.1 Grundbegriffe der thermischen Trocknung... 320 10.2 Eigenschaften feuchter Güter... 321 10.2.1 Arten der Feuchtigkeitsbindung... 321 10.2.2 Bewegung der Feuchtigkeit im Gut... 323 10.3 Eigenschaften des feuchten Gases... 325 10.4 Darstellung der einstufigen Trocknung im Mollier-Diagramm... 328 10.4.1 Beharrungstemperatur... 328 10.4.2 Kühlgrenztemperatur... 330 10.4.3 Einstufiger Trockner... 332 10.5 Wärmeübertragung an das feuchte Gut... 334 10.5.1 Konvektionstrocknung... 335 10.5.2 Kontakttrocknung (konduktive Trocknung)... 335 10.6 Kinetik der Trocknung, Trocknungsverlauf... 335 10.6.1 I. Trocknungsabschnitt... 338 10.6.2 II. Trocknungsabschnitt... 340 10.7 Bauarten von Trocknern... 344 10.7.1 Konvektionstrockner... 345 10.7.2 Kontakttrockner... 348 10.7.3 Strahlungstrockner... 350 10.8 Verständnisfragen... 351 10.9 Aufgaben... 351 Literatur... 355 11 Strömung von Flüssigkeitsfilmen... 357 11.1 Fluiddynamik von Rieselfilmen... 358 11.2 Wärmeübertragung zwischen Wand und Flüssigkeit... 361 11.3 Stoffübertragung zwischen Rieselfilm und Gas... 364 11.3.1 Laminare Rieselfilme... 364 11.3.2 Filme mit welliger Oberfläche... 370 11.3.3 Gasseitiger Stoffübergang... 371 11.4 Stofftransport mit homogener chemischer Reaktion... 373 11.4.1 Reaktion 1. Ordnung... 375 11.4.2 Reaktion 2. Ordnung... 377 11.5 Technische Anwendungen von Rieselfilmapparaten... 380 11.6 Verständnisfragen... 382 11.7 Aufgaben... 382 Literatur... 385
XIV Inhalt 12 Bodenkolonnen... 387 12.1 Thermodynamische Grundlagen... 387 12.1.1 Stoffbilanz um eine Rektifizierkolonne... 388 12.1.2 Stoffbilanz um eine Absorptions- oder Desorptionskolonne... 392 12.2 Konstruktive Merkmale... 394 12.3 Belastungsbereich und Belastungskennfeld von Kolonnenböden... 396 12.3.1 Maximale Gasbelastung... 399 12.3.2 Minimale Gasbelastung... 400 12.3.3 Maximale Flüssigkeitsbelastung... 402 12.3.4 Minimale Flüssigkeitsbelastung... 402 12.3.5 Belastungskennfeld... 403 12.4 Zweiphasenströmung in Bodenkolonnen... 404 12.5 Druckverlust des Gases am Boden... 405 12.6 Phasengrenzfläche in der Zweiphasenschicht... 407 12.7 Stoffübergang in der Zweiphasenschicht... 409 12.8 Verständnisfragen... 414 12.9 Aufgaben... 415 Literatur... 416 13 Packungskolonnen... 419 13.1 Aufbau und Funktionsweise... 420 13.2 Fluiddynamik... 424 13.2.1 Flüssigkeitsinhalt... 425 13.2.2 Druckverlust... 430 13.3 Belastungsgrenzen, Belastungskennfeld, Arbeitsbereich... 435 13.4 Stoffübergang... 439 13.5 Axiale Dispersion... 443 13.6 Auswahlkriterien für Kolonneneinbauten... 444 13.7 Verständnisfragen... 444 13.8 Aufgaben... 445 Literatur... 447 14 Förderung von Fluiden... 449 14.1 Einteilung und Anwendungsfelder von Förderorganen... 450 14.2 Bauformen von Strömungsmaschinen... 452 14.3 Energieumsetzung im Laufrad... 456 14.3.1 Impulssatz und Eulersche Hauptgleichung... 456 14.3.2 Kanalwirbel und Kraftübertragung... 459 14.3.3 Energiebilanz und Druckerhöhung... 460 14.4 Kennlinien... 462 14.4.1 Theoretische Konstruktion einer Drosselkurve... 463 14.4.2 Stabile und instabile Kennlinien... 467 14.4.3 Kennfeld... 469 14.4.4 Kennlinie einer Kolbenpumpe... 470
Inhalt XV 14.5 Betriebspunkte von Kreiselpumpen... 471 14.5.1 Anlagenkennlinie... 471 14.5.2 Regelung von Strömungsmaschinen... 472 14.5.3 Verschaltungen mehrerer Kreiselpumpen... 474 14.6 Kavitation... 475 14.7 Ähnlichkeitsgesetze und dimensionslose Kennzahlen... 477 14.7.1 Ähnlichkeitsbeziehungen... 477 14.7.2 Dimensionslose Kennzahlen... 478 14.8 Verständnisfragen... 480 14.9 Aufgaben... 480 Literatur... 481 15 Wirbelschichten... 483 15.1 Erscheinungsformen von Wirbelschichten... 483 15.2 Fluiddynamische Grundlagen... 485 15.2.1 Druckverlustcharakteristik... 485 15.2.2 Lockerungsgeschwindigkeit... 486 15.2.3 Expansion von Fließbetten... 488 15.2.4 Feststoffverhalten bei der Fluidisierung mit einem Gasstrom... 489 15.2.5 Betriebszustände in Wirbelschichten... 491 15.3 Gasblasen in Wirbelschichten... 492 15.4 Feststoffmischung in Wirbelschichten... 495 15.5 Gasphasenvermischung in Wirbelschichten... 498 15.6 Stoffübergang zwischen Fluid und Partikeln... 498 15.7 Modellierung von Wirbelschichtreaktoren... 499 15.8 Technische Anwendungen... 500 15.8.1 Acrylnitrilsynthese... 500 15.8.2 Verbrennung von Kohle... 501 15.9 Verständnisfragen... 502 15.10 Aufgaben... 502 Literatur... 504 16 Feststofftransport in Rohrleitungen... 505 16.1 Physikalische Grundlagen des Feststofftransports... 505 16.2 Pneumatische Förderung... 507 16.2.1 Einteilung der pneumatischen Förderung... 508 16.2.2 Bestimmung des Druckverlustes... 511 16.2.3 Luftexpansion entlang des Förderwegs... 521 16.2.4 Fördergeschwindigkeit... 521 16.3 Technische Fördersysteme... 525 16.4 Hydraulische Förderung... 526 16.5 Verständnisfragen... 528 16.6 Aufgaben... 529 Literatur... 531
XVI Inhalt 17 Gas/Flüssigkeits-Strömungen in Rohren... 533 17.1 Strömungs- und Phasenverteilungszustände... 533 17.1.1 Strömungen in vertikalen Rohren... 534 17.1.2 Strömungen in horizontalen Rohren... 535 17.2 Grundlegende Beziehungen und Definitionen... 536 17.3 Bestimmung der Strömungsform... 538 17.3.1 Strömungsformen in horizontalen Rohren... 539 17.3.2 Strömungsformen in vertikalen Rohren... 541 17.3.3 Schlupf... 543 17.4 Berechnungsverfahren für Gas/Flüssigkeits-Strömungen... 543 17.4.1 Homogenes Modell... 544 17.4.2 Heterogenes Modell (Schlupfmodell)... 548 17.5 Verständnisfragen... 551 17.6 Aufgaben... 552 Literatur... 553 18 Mischen und Rühren... 555 18.1 Definitionen und Einteilungen... 556 18.2 Rühren... 557 18.2.1 Technische Rührsysteme... 558 18.2.2 Impulstransport... 561 18.2.3 Leistungscharakteristik... 563 18.2.4 Rühren von nicht-newtonschen Flüssigkeiten... 565 18.2.5 Wärmetransport... 568 18.2.6 Homogenisieren in Rührbehältern... 569 18.2.7 Suspendieren von Feststoffen... 571 18.2.8 Begasen... 575 18.2.9 Dispergieren von Flüssig/flüssig-Systemen... 583 18.3 Statische Mischer... 587 18.3.1 Druckverlust... 588 18.3.2 Mischgüte... 590 18.4 Mikromischer... 592 18.4.1 Einteilung... 593 18.4.2 Arbeitsbereiche von Mikromischern... 596 18.5 Verständnisfragen... 596 18.6 Aufgaben... 597 Literatur... 600 19 Blasensäulen... 603 19.1 Blasensäulen mit und ohne Einbauten... 605 19.1.1 Bauarten... 605 19.1.2 Fluiddynamik... 607 19.1.3 Blasengröße und -bewegung... 609 19.1.4 Dispersion... 611 19.1.5 Gasgehalt... 612
Inhalt XVII 19.1.6 Stofftransport... 614 19.1.7 Wärmeübergang... 617 19.2 Suspensionsblasensäulen... 619 19.3 Airlift-Schlaufenapparate... 620 19.4 Abstromblasensäulen... 622 19.4.1 Bauarten und Einsatzgebiete... 623 19.4.2 Betriebsbedingungen und Gasgehalt... 624 19.4.3 Stoffübertragung... 626 19.5 Modellgleichungen zur Beschreibung von Blasensäulenreaktoren.. 626 19.6 Anwendungsbereiche... 630 19.7 Verständnisfragen... 630 19.8 Aufgaben... 631 Literatur... 634 Sachverzeichnis... 637
http://www.springer.com/978-3-642-25148-1